Riassunto esame Fisiologia animale, Prof. De Stefano Maria Egle, libro consigliato Fisiologia umana, Pierson

Fisiologia animale

Com'è fatta una cellula

Ogni cellula è composta dall’organizzazione di queste quattro macromolecole fondamentali: carboidrati, lipidi, proteine e nucleotidi.

• Carboidrati. Molecole fatte da carbonio e acqua, dove ogni monomero (glucosio) viene utilizzato dalla cellula per immagazzinare energia (glicogeno che sono polimeri più grandi).
• Lipidi. Molecole non polari (non solubili in acqua) appartenenti alla categoria dei grassi, costituenti principali della membrana cellulare. A seconda dello stato fisico, a temperatura ambiente, si dividono in grassi e oli. Sono una combinazione di due tipi di molecole: acidi grassi e glicerolo.
  • Acidi grassi. Molecole lunghe fatte da uno scheletro di atomi di carbonio legati da legami covalenti, ognuno legato a un atomo di idrogeno. Ogni acido termina con un gruppo carbossilico e uno metilico. Nel caso in cui tutti gli atomi sono saturati da un legame covalente si parla di acidi grassi saturi, nel caso in cui si hanno legami doppi tra atomi di carbonio si parla di acidi grassi insaturi. Ogni lipide è legato a una molecola di glicerolo e a una di acido grasso:
    • Monogliceride: glicerolo + acido grasso
    • Digliceride: glicerolo + 2 acidi grassi
    • Trigliceridi: glicerolo + 3 acidi grassi
• Nucleotidi. Sono i mattoni del DNA e dell’RNA e sono utilizzati per la comunicazione cellulare. Ogni nucleotide è un monomero, struttura fondamentale di un polimero più grande, fatto da una molecola di zucchero pentoso (cinque atomi di carbonio) a cui sono legati un gruppo fosfato (rendendoli polari) e una base azotata composta da azoto e carbonio (anelli aromatici) che comprendono adenina, citosina, guanina e timina. DNA doppia elica, RNA singola elica che funge da stampo per le proteine.
  • ATP e ADP. Fatti da una molecola di ribosio, un gruppo fosfato a seconda se è ADP o ATP.
• Proteine. La classe più grande di macromolecole, sono polimeri di un’unità fondamentale che sono gli amminoacidi: una proteina, quindi, è fatta da un numero n di amminoacidi (20 in tutto). Ogni aminoacido si lega a un altro attraverso un legame peptidico e tutti insieme formano una proteina più o meno lunga, sequenza determinata geneticamente: ogni gene è fatto da una sequenza di nucleotidi, ogni tripletta di nucleotidi codifica per un amminoacido secondo il codice genetico.
  • Enzimi: accelerano le reazioni chimiche.
  • Trasportatori di membrana: facilitano il trasporto di sostanze tra un compartimento e l’altro.
  • Molecole di segnalazione (ormoni): molecole con la funzione di essere molecole segnale per le proteine.
  • Recettori: proteine che legano molecole di segnalazione e iniziano processi di risposta.
  • Proteine di legame (trasporto): emoglobina, deputata al trasporto dell’ossigeno nel sangue.
  • Regolazione o trascrizione: regolano la trascrizione di un determinato gene.
  • Immunoglobuline (anticorpi): proteggono l’organismo da attacchi esterni di patogeni o sostanze estranee.

Tutte le proteine possono legarsi ad altre molecole tramite legami non covalenti a livello di uno o più siti specifici di legame. Tutto ciò che si lega a una proteina viene chiamato ligando o substrato. Il legame ormone-recettore è un legame specifico e la specificità tanto è maggiore, tanto minore è la quantità di ligando necessaria per attivare il legame ligando-proteina. La temperatura è un fattore fondamentale per una proteina in quanto cambia la conformazione spaziale delle proteine o può alterare e inibire la capacità di legame.

Compartimenti della cellula

Ogni cellula può essere distinta in tre grandi compartimenti:

• Membrana plasmatica. Involucro che avvolge il contenuto interno di una cellula, barriera che la separa dall’ambiente esterno.
• Nucleo. È contenuto il materiale genetico (DNA, cromosomi). Ha una doppia membrana, una interna e una esterna, che lo separa dal citoplasma; questa membrana è formata da pori nucleari (che permettono il passaggio di RNA) e al suo interno contiene il nucleoplasma. All’interno della membrana nucleare ci sono delle proteine chiamate istoni che si presentano compatte (poiché il nucleo ha una lunghezza che arriva a circa due metri) e formano la cromatina.
• Citoplasma. Ambiente che separa il nucleo dalla membrana plasmatica in cui sono immersi gli organuli che compongono la cellula e che hanno varie funzioni specifiche. All’esterno del nucleo si diparte il reticolo endoplasmatico da cui partono cisterne che convogliano verso l’apparato del Golgi. Troviamo inoltre i mitocondri, le centrali energetiche della cellula dove viene prodotta l’ATP.

Una volta trascritto dal DNA e uscito dal nucleo, l’RNA va a legarsi con i ribosomi che effettuano la sintesi proteica; ogni legame carbossilico si lega con il gruppo amminico. I ribosomi possono essere liberi nello spazio citoplasmatico o associati al reticolo endoplasmatico (ruvido) in collegamento con il nucleo. Non tutte le proteine sintetizzate dalla cellula rimangono necessariamente nella cellula ma a volte entrano a far parte di un processo che viene svolto al di fuori della cellula stessa: in questo caso la cellula, attraverso delle sequenze segnale, sa che quella proteina specifica deve essere “espulsa” dal citoplasma. Le proteine tradotte nei ribosomi liberi nel citoplasma rimangono all’interno della cellula e vengono immesse nella membrana plasmatica, mentre quelle tradotte nel reticolo endoplasmatico ruvido vengono rilasciate dalla cellula (cellule dello stomaco). Il reticolo endoplasmatico è una fabbrica di proteine ed è diverso in ogni cellula a seconda del compito che svolge all’interno dell’organismo. Il reticolo endoplasmatico contiene inoltre gli enzimi utili per la formazione di nuove membrane. Una volta prodotta una proteina assume la forma definitiva al livello del lume del RER proteina prodotta sui ribosomi, passa nel lume del RER e subisce una conformazione nello spazio definito dalla sequenza primaria, seguita dalle modifiche necessarie per la funzione che deve svolgere la proteina. Il reticolo endoplasmatico liscio REL si differenzia dal rugoso perché non ha ribosomi.

Membrana plasmatica

Formata da carboidrati, proteine e da un doppio strato fosfolipidico, con capo idrofilo (testa), e coda idrofobico (coda): in questo modo fa da filtro per tutto ciò che deve entrare all’interno della cellula. I lipidi si organizzano chimicamente nello spazio e sono tenuti legati da interazioni idrostatiche, si muovono all’interno di una stessa membrana (modello a mosaico fluido) e tra essi si muovono liberamente le proteine disposte in modo eterogeneo (proteine trans membrana e proteine ancorate ai lipidi di membrana).

• Proteine di trasporto.
• Recettori: trasmettono dei segnali chimici tra i diversi tipi cellulari.
• Recettori per le molecole di ancoraggio: mediare l’ancoraggio selettivo di parti di membrana in un determinato sito.
• Enzimi di membrana.
• Molecole di adesione: proteine che sporgono all’esterno per il collegamento cellula-cellula.
• Marcatori di autoidentificazione.

I carboidrati di membrana sono considerati marcatori di identità cellulare perché la composizione dei glucidi è tipica di ogni tipo cellulare. La membrana plasmatica è quindi il compartimento che separa liquido extracellulare da liquido intracellulare. L’esterno della cellula è il liquido interstiziale che le riveste e che è in connessione con i vasi e i capillari (plasma). Se la membrana rappresenta un filtro selettivo per le molecole che devono entrare o uscire, l’unica molecola che può passare liberamente è l’acqua; i soluti immersi nell’acqua non sono in grado di circolare liberamente, di fatto quindi i flussi di acqua tra esterno e interno sono regolati dalla pressione osmotica esercitata dalle diverse soluzioni esterno e interno.

Equilibrio osmotico (omeostasi)

La quantità totale dei soluti presenti nel liquido extracellulare è uguale alla quantità dei soluti presenti nel liquido intracellulare. L’equilibrio osmotico è diverso dall’equilibrio chimico: i principali soluti presenti nei liquidi fisiologici non sono presenti a concentrazioni equivalenti tra esterno e interno. Si crea dunque uno squilibrio elettrico tra interno ed esterno. Il sodio è altamente concentrato fuori della cellula, il potassio all’interno della cellula. Anche il cloro è presente fuori della cellula. Le proteine disciolte nel liquido intracellulare sono presenti sotto forma di anioni proteici, il che rende l’ambiente carico elettronegativamente. Queste proteine non passano attraverso la membrana poiché troppo grandi, per questo sono più arricchite nel plasma o nel liquido interstiziale.

L’osmolarità influenza la tonicità di una cellula, termine fisiologico e non relativo esclusivamente all’osmolarità di una soluzione. Una cellula immersa (globulo rosso) in una soluzione (plasma) iposmotica si rigonfia perché il compartimento cellulare risulta più concentrato e richiama acqua dall’esterno. Questo movimento di acqua all’interno della cellula può essere deleterio e scoppia. Quando la cellula si rigonfia, la soluzione è ipotonica rispetto alla cellula; quando non c’è cambio di volume si dice isotonica; quando la cellula immersa in una soluzione perde acqua si dice ipertonica perché l’ambiente esterno ha una concentrazione maggiore rispetto alla cellula stessa.

Trasporto passivo

Nel caso esiste un gradiente di concentrazione si parla di diffusione, movimento passivo di molecole da un’area a concentrazione maggiore a un’area a concentrazione minore. L’unica energia è quella cinetica delle molecole che si muovono nello spazio; maggiore è differente la concentrazione di molecole maggiore sarà la velocità di spostamento. Una volta che viene raggiunto l’equilibrio chimico cessa il movimento delle molecole.

Proteine trasportatrici

• Proteine canale (sodio e potassio). Proteine di membrana formate da diverse subunità, unione di polipeptidi che si assemblano nello spazio. Queste proteine tengono all’esterno i fosfolipidi mentre lasciano all’interno il poro con i residui idrofili e per questo funge da canale: servono per far passare ioni carichi elettricamente ma una proteina non basta per tutti gli ioni.

Risposta ai segnali elettrici da parte delle cellule

Solo alcune cellule sono eccitabili tra cui quelle muscolari e i neuroni che comunicano tra loro attraverso potenziali d’azione scaturiti da potenziali graduati successivi. La principale caratteristica di un potenziale graduato è che maggiore è lo stimolo che l’ha generato, maggiore sarà l’ampiezza della variazione di potenziale che si genererà nella membrana. I potenziali graduati arrivano a brevi distanze, mentre i potenziali d’azione coprono le lunghe distanze e non diminuiscono di intensità. Valore soglia trigger di depolarizzazione -55 mV.

Quando viene innescato un potenziale graduato che raggiunge la zona trigger e la stimola al valore soglia (-55 mV), causa l’apertura dei canali voltaggio dipendenti per il Na. Man mano che i canali per il Na si aprono la cellula di depolarizza ulteriormente e viene innescato un potenziale d’azione con un valore di arrivo di circa +30 mV. Una volta giunto il valore massimo, i canali per il Na si chiudono e iniziano ad aprirsi i canali per il K che esce con una velocità più lenta dalla cellula. Viene così ripristinato il potenziale di membrana a riposo (-70 mV) ma dato che il canale per il K è più lento a chiudersi avviene una piccola iperpolarizzazione. Questi valori sono regolati dall’apertura e chiusura dei cancelli dei canali voltaggio dipendenti per il Na: quando avviene la depolarizzazione e raggiunto il valore soglia il cancello di attivazione si apre permettendo l’ingresso del Na. Arrivato al valore massimo di +30 mV il cancello di inattivazione si chiude e impedisce l’ingresso di Na (mentre entra di K) con conseguente ripolarizzazione della cellula.

Neuroni

Cellule in grado di generare potenziali d’azione e trasformare potenziali graduati in segnali che possono generare uno stimolo, produrre una risposta a uno stimolo che genera un potenziale graduato anche alun...